Investigation of host-symbiont-parasite interactions using the African cotton stainer insect (Dysdercus fasciatus) Dissertation to obtain the academic degree Doctor of Science at the Faculty of Biology at Johannes Gutenberg-University Mainz by M.Sc. Thomas Ogao Onchuru Born on 25.07.1986, Kenya Mainz, 2019 Supervisors: 1) 2) Date of oral examination: "Although nature needs thousands or millions of years to create a new species, man needs only a few dozen years to destroy one." — Victor Scheffer Summary Symbiotic associations are ubiquitous in nature and can extend along a dynamic continuum from mutualism to parasitism. In mutualism, the interacting organisms benefit from each other while in parasitism, one partner benefits and the other is harmed. Here, I studied mutualism and parasitism in the African cotton stainer insect (Dysdercus fasciatus) mid-gut using a combination of molecular, microbiological, and microscopic techniques as well as experimental manipulation. For millions of years, this insect has maintained a mutualistic relationship with its gut bacterial community that is dominated by Coriobacterium glomerans and Gordonibacter sp. (Actinobacteria), Hungatella sp. and Lactococcus lactis (Firmicutes), and Klebsiella sp. (Proteobacteria) bacterial symbionts that supplement the insect’s cotton seed diet with limiting B-vitamins. Additionally, their guts are often infested with Leptomonas pyrrhocoris, a generalized monoxenous trypanosomatid parasite, that co-localizes with the bacterial symbionts within the mid-gut. Because of their importance, the bacterial symbionts are transmitted to the offspring vertically (via egg surface smearing and probing) and horizontally (via coprophagic behavior). In this thesis, I investigated the risk associated with bacterial symbiont transmission, the role of gut bacterial symbionts in protecting the host against L. pyrrhocoris infections, and molecular interactions between the bacterial symbionts and the insect’s immunity. I revealed that transmission of the bacterial symbionts entails a significant risk of co-transmitting L. pyrrhocoris parasite that hitch-hikes on the symbiont transmission routes. Further, I showed that successful transmission of L. pyrrhocoris with the bacterial symbionts results in low parasite titre infections characterized by prolonged nymphal developmental times and a slight alteration of the gut microbiota composition. However, in the absence of the bacterial symbionts, the infections are characterized by significantly higher titers of this parasite which can invade the hemolymph resulting in an uncontrolled replication and ultimately the death of the host. Colonization of the insect’s peritrophic matrix along the gut wall by symbiotic bacteria likely acts as a barrier blocking parasite attachment, multiplication and entry into the peritrophic matrix and hemolymph. Importantly, I showed that the gut bacterial symbionts remain insensitive to the cotton stainer antimicrobial immune effectors once established in the mid-guts of second and third instar nymphs. This suggests that close associations of beneficial bacterial symbionts with their hosts can result in the evolution of mechanisms ensuring that symbionts remain resistant to host immunological responses, which may be important for the evolutionary stability of beneficial animal-microbe symbiotic associations. i Zusammenfassung Symbiotische Assoziationen sind in der Natur weit verbreitet und lassen sich entlang eines Kontinuums von Mutualismus bis Parasitismus einordnen. In Mutualismen profitieren beide Partner voneinander während in Parasitismen der eine Partners Nutzen auf Kosten des anderen aus der Interaktion zieht. In dieser Arbeit habe ich mutialistische und parasitische Interaktionen der im Mitteldarm der Afrikanischen Baumwollwanze (Dystercus fasciatus) unter Nutzung molekularer, mikrobiologischer und mikroskopischer Methoden sowie experimenteller Manipulation des Systems untersucht. Feuerwanzen gehen seit Millionen von Jahren eine mutualistische Beziehung mit einer spezifischen, bakteriellen Darmgemeinschaft ein, die von Corriobakterium glomerans, und Gordonibacter sp. (Aktinobakterien), Hungatella sp. und Lactococcus lactis (Firmicutes) sowie Klebsiella sp. (Proteobacteria) dominiert ist. Diese Symbionten unterstützen die Ernährung des Wirtes durch die Bereitstellung von B-Vitaminen, die in ihrer Nahrung limitiert sind. Des Weiteren ist der Mitteldarm von Feuerwanzen, der die symbiotischen Bekterien enthält, auch oft von Leptomonas pyrrhocoris besiedelt, einem hoch spezialisierten, parasitischen Trypanosomen. Durch ihre hohe Bedeutung können die Symbionten sowohl vertikal (über die Infektion der Eioberflache mit Kot und belecken durch Nymphen) als auch horizontal (via Koprophagie) zwischen Individuen weitergegeben. Ich habe speziell untersucht, ob der Transmissionsweg der Symbionten auch ein Risiko der Weitergabe des Parasiten darstellt und welche Rolle die Symbionten sowie das Immunsystem des Wirtes für den Schutz vor den Parasiten spielen. Ich konnte zeigen, dass die Symbiontenweitergabe in der Tat ein Risiko darstellt, da L. pyrrocorhis auf beide Weisen mit weitergegeben werden kann. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die erfolgreiche Co-Infektion des Darmes mit den Symbionten nur in einem niedrigen L. pyrrhocoris Titer resultiert, der allerdings die Entwicklung der Tiere verzögert und einen schwachen Einfluss auf die Zusammensetzung der Darmgemeinschaft hat. In Abwesenheit der bakteriellen Symbionten zeichnet sich die Infektion durch einen wesentlich höheren Titer der Trypanosomen aus und sie können sogar vom Darm in die Hämolymphe einwandern, was zu einer ungeregelten Vermehrung und letztendlich dem Tod des Wirts führt. Die Besiedlung der peritrophischen Membran entlang des Darmepithels durch die mutualistischen Bakterien stellt wahrscheinlich eine Barriere dar, die verhindert, dass sich L. pyrrhocoris an die Darmwand anheften und durch sie in die Hämolymphe eindringen kann. Ich konnte außerdem zeigen, dass die symbiontischen Darmbakterien selbst nicht von Effektoren des Immunsystems der Wanzen beeinflusst werden, nachdem sie sich in dem zweiten bis dritten Larvenstadium etabliert haben. Die enge Beziehung zwischen den nützlichen Symbionten und ihrem Wirt führte in diesem Fall zur Evolution von Mechanismen, die die Symbionten vor Reaktionen des Immunsystems des Wirtes schützen. Solche Mechanismen können generell eine wichtige Grundlage für die evolutionäre Stabilität von mutualistischen Symbiosen zwischen Tieren und Mikroorganismen darstellen. ii Table of contents Summary ....................................................................................................................................... i Zusammenfassung ....................................................................................................................... ii List of publications and author contribution ............................................................................... 1 CHAPTER 1: GENERAL INTRODUCTION .......................................................................... 2 1.1. Symbiosis ............................................................................................................................................... 2 1.2. Insect symbiosis .................................................................................................................................... 3 1.3. Maintenance of insect-symbiont interactions .................................................................................. 3 1.4. Insect trypanosomatid parasites ......................................................................................................... 6 1.5. The cotton stainer model system for studying insect-microbe interactions ............................... 6 1.6. Thesis outline ........................................................................................................................................ 8 1.7. References .............................................................................................................................................. 9 CHAPTER 2: TRANSMISSION OF MUTUALISTIC BACTERIA IN SOCIAL AND GREGARIOUS INSECTS......................................................................................................... 13 2.1. Abstract ................................................................................................................................................ 13 2.2. Highlights ............................................................................................................................................. 13 2.3. Symbiont-conferred functional benefits in social and gregarious insects .................................. 13 2.4. Symbiont transmission routes .......................................................................................................... 15 2.5. Benefits and costs of social transmission routes ........................................................................... 18 2.6. Ecological and evolutionary implications ....................................................................................... 20 2.7. References and recommended reading ........................................................................................... 22 CHAPTER 3: SYMBIONT TRANSMISSION ENTAILS THE RISK OF PARASITE INFECTION ............................................................................................................................. 27 3.1. Abstract ...............................................................................................................................................